基于激光多普勒測振的紙箱模切開槽機輸紙主軸振動特性分析

趙榮麗，陳新，李克天，常舟

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006)

紙箱印刷開槽模切機是瓦楞紙箱生產中一個非常重要的設備。某公司研發的伺服驅動高速多色瓦楞紙箱柔板印刷開槽模切成套設備采用先進的下印式印刷方式;單元與單元之間采用伺服機構驅動，避免了傳統的齒輪傳動鏈;紙板采用真空吸附和伺服機構傳送。該設備代表了國內較高水平的紙箱印刷和成形設備。作者主要針對APSTAR HS 1628機型的輸紙主軸進行振動特性分析，并借助于激光多普勒測振設備對其進行振動檢測。

1 激光多普勒測振簡介

振動特性的測量和分析是鑒別和確定機器、零部件工作可靠性的重要手段。常用的測振技術是接觸式測量。在被測物體上安裝加速度傳感器，利用傳感器輸出的信號實現加速度–速度–位移的相關測量。如果測量質量較小物體的振動，附加的加速度傳感器的質量往往會影響被測物體的振動[1－2]。激光全息方法、激光多普勒測振是新型的空間分辨率很高、非接觸式的測量技術[3]。

當波源向著接收器移動時，波源和接收器之間傳遞的波將發生變化，波長縮短，頻率升高;反之，當波源背著接收器移動時，波源和接收器之間傳遞的波的波長將變長，頻率會降低。這一現象是奧地利的物理學家J C DOPPLER 于1842年首先發現的，稱為多普勒效應。發生多普勒效應的波可以是聲波，也可以是電磁波。利用激光多普勒效應，不僅能測量固體的振動速度，而且也能測量流體(液體和氣體)的流動速度。激光多普勒測振原理是測量從物體表面微小區域反射回的相干激光光波的多普勒頻率ΔfD，進而確定該測點的振動速度v[4－5]。

2 瓦楞紙箱模切開槽機輸紙主軸的振動測量

由于是非接觸測量，激光多普勒測振儀在測量過程中對物體的振動形態不產生影響，且動態測量范圍很寬。傳感器較小，被放置在物體前方某一合理位置，距離一般為0.04～5 m，如果配備商業化的標準鏡頭，測量距離可以達到10 m。這樣可以實現高溫物體振動響應的測量，而不損傷傳感器。

2.1 測量對象

文中激光測振儀的測量對象是瓦楞紙箱水墨柔印模切開槽機送紙機構傳動軸，APSTAR HS 1628 瓦楞紙箱印刷設備的送紙機構主軸如圖1所示，其長為2 580 mm，鋼制主軸直徑為130 mm，包含橡膠層的主軸直徑為151 mm。因橡膠層為軟材料，表面的跳動很難用接觸式測量設備測試，所以采用非接觸的激光測振儀可以更好地精確測試。激光測振儀測量的是橡膠層，如圖2中激光發射掃描頭發射一束紅的激光到橡膠層的表面。POLYTECH 激光測振儀的接線如圖3所示。圖中主要部件是掃描頭(Scanning Head)、接線箱(Junction Box)、PC (激光測振設備電腦硬件和處理軟件)。

圖1 送紙機構主軸

圖2 POLYTECH 激光測振實驗

圖3 激光測振儀接線圖

2.2 實際測量接線中的問題

(1)激光測振儀射出的激光束方向要和振動方向平行，否則將產生誤差。在實際測量中必須校準掃描頭垂直于橡膠層表面。

(2)被測物體表面需要光整和反光。在實際測量中，因橡膠層顏色為黑色，很難反光，故在橡膠層表面涂一層很薄的銀白色涂料，使得測試數據的準確性大為提高。

2.3 測量數據

POLYTECH 激光測振儀測量振動信號首先是時域的，為了能更好地分析信號本質特征，POLYTECH使用短時傅里葉轉換或短時傅里葉變換，這是和傅里葉轉換相關的一種數學轉換關系，用以決定時變信號局部段落的弦波成份的頻率與相位。利用激光多普勒測振儀測得的瓦楞紙箱印刷模切開槽機輸紙主軸的振動信號如圖4—13所示。

圖4 80 r/min時域信號

圖5 80 r/min 頻域信號

圖6 160 r/min時域信號

圖7 160 r/min 頻域信號

圖8 240 r/min時域信號

圖9 240 r/min 頻域信號

圖10 320 r/min時域信號

圖11 320 r/min 頻域信號

圖12 400 r/min時域信號

圖13 400 r/min 頻域信號

對時域和頻域信號進行分析，可以得出主軸在80 r/min 下的振動數據。數據包含了小于5 000 Hz的6 401個頻率分量上的振幅。提取前50個頻率如表1所示。

將振幅相加，計算出80 r/min 下的總振幅，統計得出其總振幅為311 μm，在0.8 Hz 頻率分量上振幅最大。同理，可以計算出其他轉速下的振動數據，統計如表2所示。

表1 80 r/min 激光測試分量頻率

表2 所有轉速統計結果

從表2可以看出:各個轉速中低頻所貢獻的振幅較大，在0.8～3.1 Hz之間。

3 輸紙主軸模態分析

3.1 鋼制主軸的模態分析

瓦楞紙箱模切開槽機輸紙主軸的鋼制主軸長徑比較大，可考慮為細長軸[6]，在ADAMS 中建立柔性體，對其進行模態分析，生成的柔性體第7階模態如圖14所示，第7階頻率為64.73 Hz。

3.2 橡膠層模態分析

因主軸表面有一層橡膠層，對橡膠層進行模態分析。將通過擬合[7－8]分析得到的橡膠材料的相關本構數據:彈性模量E=6.1×106N/m2，泊松比σ=0.49，橡膠的密度ρ=1 000 kg/m3輸入COSMOSWorks 中。不加任何約束，計算得出其固有頻率見表3(前6階為剛體，模態頻率為0)。

圖14 鋼制軸第7階模態

表3 橡膠層模態分析頻率

橡膠層第7階振型如圖15所示。

圖15 橡膠層第7階模態

從表3可以看出:橡膠層的固有頻率較低，第7階頻率僅為2.246 3 Hz，第8階頻率3.449 4 Hz，這與表2中的低頻數據3.1 Hz 左右較為吻合。在實際的測試過程中，現場干擾較大，0.8 Hz與1.6 Hz可以考慮為振動測試中的現場振動干擾頻率。

單層鋼制主軸的最低固有頻率為64 Hz，與低頻激光測試數據3.1 Hz 左右相去較遠。橡膠層的最低兩階固有頻率為2.45 和3.45 Hz，與低頻激光測試數據接近。在測試數據中，低頻3.1 Hz 貢獻的振幅最大，遠大于鋼制主軸的64 Hz 貢獻的振幅，所以可以認為鋼制主軸的振動對整體振動影響較小，即可以認為橡膠層才是引起主軸振動的主要原因。

4 結論

通過對送紙機構進行POLYTECH 激光測振分析，得到了時域內的振動信號，運用軟件對其進行傅里葉變換，最終得到了頻域內信號，提取了振動信號的本質，得到了各轉速下的振動頻率及最大振幅;對輸紙機構主軸進行了鋼制主軸及橡膠層材料的模態分析，結果表明:鋼制主軸固有頻率與激光測振頻率相差較多，而橡膠層的最低2階固有頻率與激光測量橡膠層振動影響最大的低頻吻合，即輸紙主軸振動主要是由橡膠層引起的，為輸紙主軸進一步振動研究提供了基礎。

【1】陳東弟，向家偉，鐘永騰，等.基于Polytec 激光測振儀和第二代小波的齒輪箱故障診斷[J].光學技術，2008，34(S1):267－269.

【2】李艷輝，吳振森，武穎麗.基于激光多普勒法測量微小阻尼振動[J].中國激光，2010，37(1):231－235.

【3】朱夢非，梁平.基于LabVIEW的激光多普勒測速系統研究[J].國外電子測量技術，2011，30(5):48－54.

【4】向家偉.基于Polytec 激光測振儀的光存儲設備振動測試分析系統[J].光學技術，2007，33(S1):108－108.

【5】韓榮第，崔伯第.基于神經網絡的細長軸車削加工尺寸誤差預測研究[J].工具技術，2008，42(5):9－11.

【6】鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機技術入門與提高[M].北京:機械工業出版社，2002.

【7】李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS 實例教程[M].北京:北京理工大學出版社，2002.